Текст книги "История лазера. Научное издание"
Автор книги: Марио Бертолотти
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 50 (всего у книги 52 страниц)
Геофизика
Геофизики используют спутники, способные отражать свет РІ обратном направлении (СЃ уголковыми отражателями) для измерения движений земной РєРѕСЂС‹. Путем измерения времени, которое требуется лазерному импульсу, чтобы дойти РґРѕ спутника Рё вернуться обратно, можно измерить СЃ очень высокой точностью расстояние между лазером Рё спутником. Если спутник находится РЅР° стационарной орбите, так что его расстояние РґРѕ Земли РЅРµ изменяется, то этот метод позволяет измерить малые перемещения места, РЅР° котором установлен лазер. Рто позволяет измерять дрейф континентов.
Континенты плавают РїРѕ расплавленному внутреннему слою Земли, как плиты земной РєРѕСЂС‹. Рти плиты сталкиваются РґСЂСѓРі СЃ РґСЂСѓРіРѕРј, вызывая землетрясения, появление островов Рё извержения вулканов. Поэтому измерения дрейфа континента имеют РѕРіСЂРѕРјРЅСѓСЋ важность. Спутниковая программа LAGEOS (лазерный геодинамический спутник) дала РІ 1970-Рµ РіРі. доказательства дрейфа континентов. Р’ настоящее время эти измерения продолжаются СЃРѕ вторым спутником такого типа. Например, были выполнены измерения вдоль линии разлома РІ Калифорнии. РЎ помощью измерения таких малых перемещений делаются попытки предсказать землетрясение, прежде чем РѕРЅРѕ случится.
С помощью такой же методики можно прослеживать, как Земля вращается вокруг оси и изменяет свою форму.
Лазер и Луна
Bell Labs использовала один из первых лазеров для исследований рельефа поверхности Луны. Во время экспедиции Аполлон 11, отправленной на Луну 21 июля 1969 г., астронавты установили на ее поверхности два уголковых отражателя, способных отражать лазерный свет, посланный с Земли[16]. Группа астрономов Ликской Обсерватории в Калифорнии послала на Луну мощный пучок рубинового лазера, что позволило измерить расстояние ЗемляЛуна с точностью, намного превышающей точность обычных астрономических наблюдений.
Лазерный альтиметр был использован в проекте MOLA (Mars Orbiter Laser Altimeter), чтобы получить трехмерное глобальное изображение Марса.
Гравитационные волны
Р’ 1919 Рі. Рйнштейн предсказал, что движущиеся массы РїСЂРѕРёР·РІРѕРґСЏС‚ гравитационные волны, распространяющиеся СЃРѕ скоростью света. Рљ сожалению, амплитуда такого гравитационного излучения, испускаемого любым источником, созданным РІ лаборатории, слишком мала, Рё гравитационные волны нельзя обнаружить. РЎ РґСЂСѓРіРѕР№ стороны, астрофизические явления, которые РјРѕРіСѓС‚ вовлекать огромные массы СЃ релятивистскими скоростями, РјРѕРіСѓС‚ произвести гравитационное излучение, которое поддается измерению. Косвенные доказательства наличия существования гравитационных волн были найдены, Рё Р·Р° это Алан Рассел Хале (Рі. СЂ. 1950) Рё Жозеф Хутон Тейлор (Рі. СЂ. 1941) получили РІ 1993 Рі. Нобелевскую премию РїРѕ физике. Однако прямые, определенные доказательства РІСЃРµ еще отсутствуют. Гравитационные волны возникают РѕС‚ ускоренных масс СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј, РІРѕ РјРЅРѕРіРѕРј подобным испусканию электромагнитных волн ускоренными зарядами. РћРЅРё воздействуют РЅР° массы, растягивая РёС… РІ РѕРґРЅРѕРј направлении Рё сжимая РІ РґСЂСѓРіРѕРј, перпендикулярном, направлении.
Когда гравитационная волна проходит, она может привести массу в колебательное движение, вверх-вниз, подобно океанским волнам. Чтобы обнаружить гравитационные волны, необходимо измерить такое движение.
В принципе смещения, производимые гравитационной волной, можно было бы измерить с помощью большого цилиндра, изолированного от внешних воздействий. Он резонировал бы механически на частоту гравитационной волны. Чувствительные датчики преобразуют эти колебания в сигналы, которые можно измерить. Первый детектор на основе резонансного цилиндра был сконструирован в конце 1950-х гг. Джозефом Вебером, о котором мы уже говорили, когда обсуждали мазер. Вебер изготовил алюминиевый цилиндр весом несколько тонн, который резонировал на частоте около 1 кГц. Он объявил, что получил положительные результаты, но никто не подтвердил их. Затем другие детекторы подобного типа были построены в ряде институтов во всем мире. Лучшие из этих устройств способны зафиксировать смещение на уровне 1012. Но это все же оказалось недостаточным, чтобы обнаружить гравитационные волны, если только они не возникают достаточно близко и в результате крайне сильных астрономических событий.
Альтернативный СЃРїРѕСЃРѕР± детектировать гравитационные волны заключается РІ измерении времени, которое требуется свету для прохождения между РґРІСѓРјСЏ зеркалами, которые располагаются РЅР° РґРІСѓС… тяжелых маятниках. РћРЅРё РјРѕРіСѓС‚ колебаться РїРѕРґ действием гравитационной волны. Ртот метод включает сравнение времен прохождения РґРІСѓС… лазерных пучков, которые распространяются РїРѕРґ прямыми углами РІ интерферометре Майкельсона (РїРѕРґРѕР±РЅРѕ тому, как РѕРЅ использовался для измерений скорости света РІ РґРІСѓС…, взаимно перпендикулярных направлениях). Гравитационная волна должна сжимать РѕРґРёРЅ путь, делая его короче Рё растягивать РґСЂСѓРіРѕР№, делая его длиннее. Р РёСЃ. 66 показывает возможную схему. Рксперименты начались РІ 1970-С… РіРі. Если интерферометр имеет длину плеча 4 РєРј, типичная гравитационная волна изменит его длину, менее чем РЅР° 1014 часть, что составляет РѕРґРЅСѓ тысячную размера атомного СЏРґСЂР°. Р’ интерферометре свет РїСЂРѕС…РѕРґРёС‚ РјРЅРѕРіРѕ раз между неподвижным зеркалом Рё зеркалом, подверженном смещению. Р’ результате разница РІ длинах суммируется многократно.
Р РёСЃ. 66. Р�нтерферометр, предназначенный для обнаружения гравитационных волн, включает четыре зеркала S1, S2, S3, S4, укрепленных РЅР° тяжелых маятниках, изолированных РѕС‚ внешних (земных) воздействий. Рти зеркала обеспечивают распространение лазерного света РІ РґРІСѓС… взаимно перпендикулярных направлениях, РїРѕ путям S1S2 Рё S3S4. Лазерный пучок расщепляется РЅР° РґРІРµ части СЃ помощью полупрозрачного зеркала Sp Рё после пробегов РјРЅРѕРіРѕ раз между парами зеркал попадает РЅР° приемник D. Если РїСЂРёС…РѕРґРёС‚ гравитационная волна, то РѕРЅР° действует РЅР° маятники, изменяя длины путей РІ плечах интерферометра СЃ противоположным знаком. Рти изменения, составляющие малую часть длины волны лазера, РјРѕРіСѓС‚ изменить условия интерференции, которая регистрируется приемником. Тем самым будет зарегистрировано действие гравитационной волны РЅР° массы маятников
Р�нтерферометры такого типа были построены РІ разных частях РјРёСЂР°. Вебер уже РІ 1970-С… РіРі. понимал, что лазерный интерферометр может быть более чувствительным, чем РїРѕРґС…РѕРґ, основанный РЅР° использовании цилиндра. Р�дея лазерного интерферометра для обнаружения гравитационных волн была независимо выдвинута СЂРѕСЃСЃРёР№СЃРєРёРјРё учеными Рњ. Герштейном Рё Р’. Пустовойтом РёР· РњРѕСЃРєРѕРІСЃРєРѕРіРѕ университета Рё Р . Вайсом РёР· MIT (РЎРЁРђ). Первый интерферометр был построен РІ 1978 Рі., Р° РІ 1983 Рі интерферометр длиной 40 Рј был установлен РІ Калифорнийском технологическом институте. Подобные же интерферометры существуют РІ настоящее время РІ Р�талии, Германии Рё РЇРїРѕРЅРёРё. Недавно было спроектировано даже более мощное устройство СЃ интерферометром длиной 4 РєРј, помещаемого РІ туннель для защиты распространения света. Две установки СЃ такими интерферометрами были реализованы РІ Хэнфорде (штат Вашингтон) Рё РІ Ливингстоне (штат Луизиана). Рти интерферометры обозначаются как LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory). РћРЅРё обладают чувствительностью РІ РѕРґРЅСѓ часть РЅР° 1015, которую можно увеличить РІ 100 раз. Работы РїРѕ этому проекту продолжаются СЃ августа 2002 Рі.
В �талии такое исследование очень активно. В рамках итало-французского проекта VIRGO был построен интерферометр длиной 3 км вблизи Пизы. Он был официально открыт в июле 2003 г. Астрофизические аспекты LIGO и VIRGO заключаются в том, что со временем они смогут обнаружить гравитационные волны, производимые сильно релятивистскими событиями, такими, как столкновениями двух черных дыр, поскольку до сих пор никаких определенных сигналов не было зафиксировано.
Германские и Британские физики построили устройство вблизи Ганновера длиной 600 м, названное GEO 600, а меньшее устройство длиной 30 м (ТАМА детектор) установлено вблизи Токио.
Лазеры ультракоротких импульсов
РЎ помощью специальных методик можно создать импульсные лазеры, испускающие импульсы излучения, длительность которых всего лишь несколько единиц 1015 СЃ (фемтосекунд). Рти времена столь коротки, что РёС… можно сравнить СЃ временами обращения электрона РІРѕРєСЂСѓРі атомного СЏРґСЂР°. РЎ такими импульсами можно исследовать химические, биологические, физические явления Рё РґСЂ. Продолжительность этих импульсов соответствует длинам распространения света, РїРѕСЂСЏРґРєР° размеров некоторых молекул. Р�спользуя такие импульсы, РіСЂСѓРїРїР° С…РёРјРёРєРѕРІ, например, изучила свойства фотохроматических стекол[17].
Рти материалы знакомы тем, кто пользуется солнечными очками СЃ изменением своего пропускания РІ зависимости РѕС‚ интенсивности солнечного света. Рта РіСЂСѓРїРїР° показала, что изменения РІ пропускании РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґСЏС‚ Р·Р° счет модификации структур молекул, причем эти модификации РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґСЏС‚ Р·Р° времена нескольких пикосекунд. Ультракороткие лазерные импульсы также находят применения РІ промышленности РїСЂРё лазерной обработке металлов.
Нелинейная оптика
До появления лазеров, прозрачные оптические материалы рассматривались, по существу, как пассивные объекты, не влияющие на проходящий через них свет. Высокая мощность лазерных пучков, впервые, позволила наблюдать, что присутствие света само по себе может влиять на среду. �нтенсивный свет может, например, изменить показатель преломления среды или ее поглощение. Когда это происходит, свет сам испытывает это изменение, так, что уже конечный результат больше не является независимым от интенсивности света, но имеет сложную зависимость от нее. В таких случаях говорят о нелинейной оптике.
Нелинейный отклик материала может преобразовать лазерный свет РІ новые цвета. Рта возможность крайне важна РІ практическом отношении, так как хотя даже существует множество лазеров, любой лазер обычно генерирует только РѕРґРЅСѓ или несколько близко расположенных частот, Рё немногие типы лазеров коммерчески доступны. Поэтому потребность иметь новые длины волн Рё изменять РёС… вызывает усиленный интерес Рє возможностям, которые, РІ этом отношении, открывает нелинейная оптика.
Наблюдения, что интенсивный свет может вызывать изменения, которые сами воздействуют на свет, первоначально возникли как проблема пропускания мощных лазерных пучков через оптические материалы. В зависимости от свойств материала, свет может либо самофокусироваться[18], либо самодефокусироваться. В первом случае это может привести к разрушению материала, во втором случае это приводит к порче самого пучка. Позднее эти свойства были использованы в устройствах информатики, для создания переключателей света, ответвителей, и для обработки информации. Нелинейный отклик материала может быть очень быстрым, часто порядка пикосекунды.
�зменение показателя преломления, индуцированное светом, может само служить для получения особых световых импульсов, называемых солитонами. В оптических волокнах солитоны представляют импульсы света, которые остаются сами собой с неизменной длительностью, вопреки явлению дисперсии, которое обычно уширяет длительность импульса. �мпульс света получается из сложения лучей разного цвета, которые из-за дисперсии распространяются с разными скоростями, так что при прохождении некоторого расстояния импульс уширяется. Если импульс достаточно яркий, то наведенная нелинейность в точности компенсирует этот эффект, и импульс может распространяться в волокне на тысячи километров без изменения своего временного профиля (формы импульса).
Существует солитон другого вида, т.н. пространственный солитон, в котором нелинейность в точности компенсирует эффект дисперсии, который вызывает поперечное увеличение диаметра пучка светового импульса при его распространении. Такой пространственный солитон может проходить большие расстояния без изменения своих пространственных размеров.
Свойства солитонов и их взаимодействие делает такие импульсы пригодными, в частности, для создания таких устройств, как световые переключатели, ответвители; их, тем самым, можно использовать для передачи в оптических волокнах. В будущем солитоны могут составить основные элементы оптических компьютеров.
